EP3281034A1 - Störlicht-tolerantes lidar-messsystem und störlicht-tolerantes lidar-messverfahren - Google Patents

Störlicht-tolerantes lidar-messsystem und störlicht-tolerantes lidar-messverfahren

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EP3281034A1
EP3281034A1 EP16717088.5A EP16717088A EP3281034A1 EP 3281034 A1 EP3281034 A1 EP 3281034A1 EP 16717088 A EP16717088 A EP 16717088A EP 3281034 A1 EP3281034 A1 EP 3281034A1
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EP
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optical
measuring
branch
light
measuring system
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METEK METEOROLOGISCHE MESSTECHNIK GmbH
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    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Definitions

  • the present invention relates to an interference light-tolerant lidar measuring system for detecting the presence and / or movement of particles and / or
  • Lidar light detection and ranging
  • Atmosphere particles and other objects are made. In principle, it is possible to measure all the particles which scatter the light used and all objects which represent a reflective impurity in space or a scattering body.
  • Lidar thus takes account of the needs that exist in various fields of technology, physical parameters of the actual
  • Measuring device remote locations to determine wirelessly and non-invasively as a function of time. For example, with the help of lidar, it is possible to determine the wind speed prevailing at a location remote from the measuring device via the measurement of particles moved by wind. This can be exploited, for example, to easily in up to several hundred meters in front of a wind turbine To measure wind speed and adapt based on the measured wind speed regulatory parameters of the wind turbine so that the best possible efficiency achieved and at the same time the burden of the wind turbine is kept as low as possible by the wind, and in extreme gusts if necessary in time
  • Known lidar systems for determining wind speeds are based on the detection of the Doppler frequency shift of the particle caused by the scattering of laser light with particles moving with the wind
  • the prior art uses highly coherent laser sources with coherence lengths of several hundred meters which correspond to optical source bandwidths in the sub-MHz range.
  • to achieve spatial resolution are basically two
  • pulsed laser sources are used, the position being determined by a transit time measurement of the laser pulses.
  • a pulse whose pulse width determines the spatial resolution which, for example, is about 30 m for pulses having a width of 200 ns
  • a plurality of resolution elements between e.g. 0 and 300 m distance from the measuring system are queried. These resolution elements are respective subsections of the spatial region of interest, which is traversed by the laser pulses.
  • continuous wave laser sources are used, the beam of which, with the aid of a suitable optical system, such as a lens or a telescope, to the respective desired target distance is focused (see eg WO 2005/114253 AI).
  • a suitable optical system such as a lens or a telescope
  • Focus length increases approximately quadratically with the distance from the optical system used for focusing, so that only a poor spatial resolution can be achieved for large distances.
  • scattered light is also received by particles outside the focus area. If such particles have a larger scattering cross section than the particles in the focus region or are present in a much greater concentration than the particles in the focal region, their scattered light can still form the largest part of the received scattered light and make the signal from the focus region unrecognizable. Without elaborate measures, the measured wind speed would then be assigned to a wrong location. An example is one that may be clearly behind the target area, i. the focus area, dense cloud cover.
  • the change of the focusing which is generally mechanical, requires additional equipment and takes a considerable amount of time.
  • a synthetic laser source is used, formed from a narrow-band laser light generation component, for example a narrow-band laser diode, and an optical phase modulator, which is driven with predetermined signals.
  • WO 2014/072514 A1 provides the knowledge and the advantage that a measurement already contains the information about the particles or objects along the line of sight, in particular their speeds, and that this information can be revealed by a numerical processing of the measured data specified there.
  • the findings and procedures in WO 2014/072514 A1 are the basis and starting point of the present invention.
  • the local suppression method is limited only to discrete impurities and is inadequate when due to Rayleigh scattering in the
  • Fiber section between the circulator and transmitting / receiving lens / telescope distributed to be suppressed spurious signals are suppressed.
  • Detecting useful signals from the distant space area and these disturbances in the measuring system can not be avoided even with the greatest effort.
  • the performances of said interference signals at a transmission power of 1 W in good systems typically each at ⁇ W, while the useful signals to be received from the distance range may be in the range of 1 pW and below. Without an effective suppression of the effects of interference signals from the measuring system and its immediate vicinity, an evaluation of the useful signals is thus impossible in many cases.
  • the stated object is achieved by a lidar measuring system having the features of claim 1 and by a method having the features of claim 12.
  • Advantageous embodiments of the lidar measuring system and the method are the subject of the respective dependent claims.
  • Photoreceiver assembly comprising various optical components for directing light of the continuous wave laser source along predetermined optical paths and an evaluation unit.
  • the photoreceiver assembly is adapted to output detector signals representative of the incident light impinging on it from the continuous wave laser source. It can have one or more photodetectors.
  • the optical components are adapted and arranged so that light emitted by the continuous wave laser source during operation is first split, then along a measuring or signal branch of the
  • the interferometer arrangement thus has the structure of a two-beam interferometer similar to that of a Mach-Zehnder interferometer.
  • the reference branch has a predetermined optical path length, so that the optical transit time x re f in the reference branch is chosen so that it corresponds to the optical transit time x st ör, m of a relevant, undesirable by overcoupling or residual reflection or scattering light path in the measuring branch as closely as possible or a mean optical transit time of the unwanted light paths and the measuring branch is adjusted so that the different relevant transit times x st ör, m differ as little as possible.
  • Frequency shifter in the measuring or reference branch to electrical
  • the spurious signals correspondingly provide a narrowband electrical signal at the shift frequency, which can also be easily suppressed.
  • the measuring branch has a measuring section in which the light from the
  • Measuring system is directed towards one of this remote space area and this at least partially passes through and in the
  • Measuring section located particles or objects in the direction of the
  • Measuring system backscattered or reflected light is received back to the measuring system.
  • part of the optical path of the measuring branch namely the measuring section, is formed by the region of the surroundings of the measuring system, from which any photons which run from the measuring system in the direction of the distant spatial area until they are scattered or scattered on a particle Object are reflected, return to the measuring system and there coupled into the rest of the measuring branch.
  • passing laser light is radiated by means of a suitable device in the direction of the distant space area and that on the other hand at the end of the measuring section, a portion of the scattered light with a suitable
  • the optical path length of the measuring branch is thus determined for each photon by the distance of the particles or objects from the measuring system, from which the scattered or reflected light reaching the photoreceptor arrangement originates.
  • Room area forms part of the measuring section and may be identical to the measuring section in extreme cases.
  • the measuring section encompasses the area of the surroundings of the measuring system, from which light which has been backscattered by particles or reflected by objects is coupled into the remainder of the measuring branch.
  • the remote area is the area of interest for the detection, which can be chosen to be smaller or at most equal to the measuring section.
  • the evaluation unit is coupled to the photoreceiver assembly and adapted to receive their detector signals and based on the
  • Detector signals to determine the presence and / or movement of particles and / or objects in the remote space area.
  • the latter can be done, for example, in particular in the same way as is known from the prior art.
  • the movement and the speed in a known manner on the determination of the
  • the continuous wave laser source is designed to have a coherence length in the range of 0.1 to 100 m. Since coherent interference within the photoreceiver arrangement only for scattered light of particles or
  • the high coherence length makes it possible to select a high coherence length and a suitable choice of the coherence length
  • Disturbing reflections / interference spreads / disturbance transitions in the measuring branch are in the range of coherence or in the vicinity thereof in accordance with the choice of optical propagation time given above in the reference branch.
  • the useful signals from the remote area are outside the range of coherence.
  • the continuous wave laser source used in the present invention consists of a laser light generation component, a downstream optical phase modulator and a controller for controlling the optical phase modulator.
  • the control of the phase modulator takes place on the basis of a predetermined time-discrete data set.
  • This data set ⁇ ⁇ has the property as in WO 2014/072514 A1, but more precisely in
  • the analog drive signal according to the invention should be designed so that the optical
  • Phase shift an approximately staircase-shaped function forms, the function values on the stairs the digital data set ⁇ ⁇
  • the steps are according to the invention as flat as possible, i. the phase differences on one level are as small as possible.
  • the widths of the steps are preferably the same, e.g. 5ns or 10ns, and follow the sampling theorem.
  • the evaluation arrangement behind the photoreceptor arrangement is
  • the detector signals are sampled synchronously with the stepwise control of the phase modulator and the sampling times tabtast are selected so that the analog values ⁇ (t a btast -t re f) and ⁇ (tabtast-T st ör, m) for the relevant ones
  • Disturbing reflections / interference scattering / Störüberkopplept come to lie on the same stage of the step-shaped phase function, thus are approximately equal in size and their difference almost disappears. This leads in particular to the fact that the above disturbances in a system without frequency shifter in the measuring or reference branch in the detector signals approximately to
  • the evaluation unit is adapted to carry out the evaluation on the basis of a function of the detector signals, the predetermined phase function and a time shift value deportation selected in such a way that the result of the function, in the case of the present invention now except for the suppressed portion of
  • the detector signal corresponds, which would result in the selection of a reference branch, which compared to the actual reference branch has a modified by removal duration and thus also a correspondingly changed optical path length.
  • the effective coherence range is hereby numerically shifted from the location of the disturbances in the measuring system to a desired location in the remote spatial area, which is determined by deportation.
  • Embodiment is based on the finding from WO 2014/072514 A1 that the detector signals already contain the information about particles and objects in other subsections of the distant spatial area at different distances from the object
  • Contain measuring system and this information due to the numerical knowledge of the predetermined phase values ⁇ ⁇ can be revealed.
  • the numerical shift of the coherence range and the equally sequential or parallel evaluation of the entire remote space area or a larger portion thereof is knowledge of the phase function 0 used to drive the optical phase modulator and to generate the light emitted by the CW laser source (t) required. This is not known for a natural laser source and would have to be laboriously determined. With the continuous wave laser source used here, however, the
  • phase function 0 (t) Synthesized phase properties of the laser beam, are only pseudo-random and numerically in the form of the phase function 0 (t). This phase function 0 (t) is found in a certain way in the complex
  • the optical components comprise a beam splitter, such as in particular a fiber optic coupler, for splitting the light emitted by the continuous wave laser source, polarization-maintaining optical fibers, so-called PM fibers, or non-polarization-maintaining fibers comprising at least one Define part of the reference branch, and / or such optical fibers that define a part of the measuring branch, an optical amplifier, eg an Erbium fiber amplifier, in the measuring branch or before the division into measuring and reference branch and a coherent optical
  • a beam splitter such as in particular a fiber optic coupler, for splitting the light emitted by the continuous wave laser source, polarization-maintaining optical fibers, so-called PM fibers, or non-polarization-maintaining fibers comprising at least one Define part of the reference branch, and / or such optical fibers that define a part of the measuring branch, an optical amplifier, eg an Erbium fiber amplifier, in the measuring branch or before the division into measuring and reference branch
  • Receiver with or without polarization diversity, preferably containing one or two 90 ° optical hybrids.
  • the optical components comprise a radiating and receiving device which defines the beginning and the end of the measuring section of the measuring branch and is adapted to radiate the light away from the measuring system in the direction of the spatial region and receiving backscattered light so that it is guided along the remainder of the measuring branch.
  • the radiating and receiving device defines the beginning and the end of the measuring section of the measuring branch and is adapted to radiate the light away from the measuring system in the direction of the spatial region and receiving backscattered light so that it is guided along the remainder of the measuring branch.
  • Receiving means may comprise a receiver spatially separated from an emitting device (i.e., a bistatic system), or a component adapted at a location for both irradiation and reception of laser light (i.e., a monostatic system).
  • the combined emitting and receiving device can in particular be an optical
  • the photoreceiver includes an optically 6-port 90 ° hybrid and four photoreceivers at the outputs, two each containing the so-called in-phase signal and two containing the so-called quadrature signal.
  • a photoreceptor is also referred to as a coherent receiver with phase diversity.
  • the photoreceivers can advantageously have a high-pass behavior with a low cut-off frequency of, for example, 100 kHz.
  • the two in-phase signals as well as the two quadrature signals are advantageously subtracted from each other in a known manner for the purpose of noise reduction.
  • the photoreceiver for the measuring branch and / or for the reference branch at the input to polarization beam splitter arrangements, which decompose the respective optical waves into two mutually orthogonally polarized, for example, x- and y-polarized components and for each of the two
  • Partial waves from the measuring branch are analyzed separately or a
  • the evaluation unit adapted to carry out the evaluation based on a function of the detector signals, the predetermined phase function and a time shift value deportation and the laser light generating component is adapted to radiate a wavelength or simultaneously or alternately to emit laser light of two wavelengths, in this way to realize a DIAL system (differential absorption lidar) or
  • Waveguide defines at least a portion of the measuring section and in this waveguide are reflection arrangements, so in a manner explained in WO 2014/072514 A1 a distributed waveguide sensor, in particular a fiber optic sensor is formed, in which arranged along the optical waveguide reflection means individual sensor elements represent. or
  • the evaluation unit is adapted to carry out the evaluation on the basis of a function of the detector signals, the predetermined phase function and a time shift value Atyer shift and an optical one
  • Waveguide defines at least a portion of the sensing section, and the Rayleigh backscatter from the waveguide length elements is evaluated to deduce localized attenuation, localized flaws, or location-dependent polarization characteristics.
  • the measuring branch is adjusted so that the optical transit times x st ör , m of the relevant, by
  • the reference branch is adapted so that the optical propagation time x ref in the reference branch of the
  • the control of the phase modulator is adapted so that it is driven by a staircase-shaped signal, so that the optical phase values on the individual
  • the evaluation is adjusted so that it adjusts the sampling time t a btast the detector signals in synchronism with the step-shaped control of the optical phase modulator, such that the analog values ⁇ (Tabtast- t re f) and ⁇ (tabtast - t st ör, m) for the largest glitches / Störstreuungen / Störüberkopplonne come to lie on the same stage of the step-shaped phase function.
  • Evaluation unit which is adapted to the evaluation based on a function of the detector signals, the predetermined phase function and a
  • Time shift value deportation is changed at the evaluation unit, the time interval deportation to the effective coherence range numerically from the location of the disturbances in the measuring system towards a
  • Evaluation unit in this section can determine and quantify the presence and / or movement of particles and / or objects.
  • Polarization state determined by the detected particles and / or objects and obtained therefrom information about the nature and / or shape of the particles and / or objects, or it is a polarization independent power overall signal is formed.
  • the light of two different wavelength ranges is detected, and with the aid of The evaluation unit determines the concentration of at least one gas, spatially resolved, based on a function of the sub-detector signals in both wavelength ranges, the predetermined phase function and a plurality of different time shift values, each corresponding to a different sub-portion of the remote space
  • Wavelength ranges has different absorption coefficients.
  • reflection devices are adapted so that they change their reflectivity and / or their polarization properties as a function of a measured variable acting on them , or the portions of the optical waveguide located between each two adjacent reflection devices are adapted to be in
  • one or more optical modulators in particular phase or frequency modulators contain, with the aim of static or
  • Reflection devices appear to let appear.
  • the measured variable is determined with the aid of the evaluation unit at different reflection devices or different sections between reflection devices.
  • the measured variable is an elongation of the optical waveguide, a vibration of the optical
  • Waveguide and / or a temperature Waveguide and / or a temperature.
  • Reflection devices formed by defects or Rayleigh-backscatter areas and the optical waveguide using the evaluation unit characterized length-resolved can contain one or more optical modulators, in particular phase or frequency modulators, with the aim of effectively making the static or quasistatic Rayleigh backscatter areas appear as moving reflecting devices.
  • Detector signal for adjacent locations closed to local damping becomes. This method may replace the use of time domain reflectometers.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a lidar measuring system according to an embodiment of the invention.
  • the lidar measuring system shown schematically in FIG. 1 has a continuous wave laser source (2) with an output power of
  • Fiber optic coupler on a partially fiber optic defined measuring branch (4) and a completely fiber optically defined reference branch (5) is divided.
  • the division by the coupler 3 is e.g. in the ratio 1000: 1, i. e.g. 0.1 percent of the output light power of the amplifier (11) is in the
  • Coupled reference branch the fiber amplifier (11) can also be located in the measuring branch (4), in which case the division ratio of the coupler (3) is e.g. Can be 1: 1.
  • the optical fibers used are preferred
  • a coherent optical receiver (7) is arranged, which contains a 6-port 90 ° optical hybrid and four
  • Photodetectors for example InGaAs photodiodes.
  • the receiver forms two in-phase signals and two quadrature signals which are respectively subtracted from each other in the receiver (7) or in the evaluation unit (9) in order to suppress interference by balanced detection.
  • the optical detectors are preferably used in the receiver (7) in a high-pass circuit with a low cut-off frequency, e.g. 100 kHz, operated to filter out DC signals.
  • the in-phase difference signal and the quadrature difference signal is then fed to an evaluation unit (9), which interprets one of them as a real part and the other as an imaginary part of a complex signal and compiles them into a complex signal.
  • This complex signal is finally analyzed in the evaluation unit and it is used to detect the presence and / or movement of particles and / or objects
  • the optical paths in the measuring and reference arm are kept as short as possible, so that the polarization states at the end of the fiber section (4b) and on the End of the reference branch (5) are set once and then are approximately stable in time. If this is not the case, then polarization plates are used in the measuring and / or reference branch or polarization-maintaining fibers are used in the measuring and / or reference branch and / or the
  • Receiver unit (7) has in both input branches suitable
  • Polarizations a coherent receiver with four photodetectors and the evaluation are supplied to four signals from which it forms a characteristic complex signal for each polarization.
  • the measuring branch comprises an optical circulator (13) with the aid of which light is transmitted via a fiber section (14a) of a transmitting / receiving lens (15) of a focal length of e.g. 250mm is fed.
  • the reference branch (5) or the measuring branch (4) has a compensating fiber section (19) so that the optical paths from the coupler (3) via the reference branch to the optical receiver unit (7) are as equal as possible to the sum of the following optical paths at
  • the balancing fiber section (19) has a different function and length than the detour path (18) in WO 2014/072514 A1 and, unlike the configuration of the structure, may differ from the latter both in the
  • the fiber portion (14a) is as short as possible or more preferably this fiber portion is omitted altogether.
  • the optical paths between possible defects on the circulator (13), at the beginning and end of the fiber section (14a), at the transmitting / receiving lens (15) and patches within the fiber section (14a) are small. If the light in the region behind the lens strikes backscattering particles in such a way that it returns to the lens (15), it is returned to the fiber section (14) and then into the section (4b) via the circulator (13). of the measuring section (4) coupled.
  • the area in which light can pass back to the lens (15) due to backscattering of particles represents a measuring section (16) of the
  • the presence and / or movement of particles and / or objects can be detected in the entire measuring section (16) or only in a part of it, which in the present application is referred to as a remote space area.
  • the distant room area is therefore, the part of interest for a particular measurement
  • Photoreceiver arrangement (7) is adapted so that the detector signals are sampled synchronously with the step-like control of the phase modulator and the sampling times t ab tast are selected so that the analog values ⁇ (tabtast - ⁇ ⁇ ) and ⁇ (t a bt as t - T s t ö r, m) for the relevant ones
  • Disturbing reflections / interference scattering / Störüberkopplonne come to lie on the same stage of the step-shaped phase function, thus are approximately equal in size and their difference almost disappears. This leads in particular to the fact that the said disturbances lead approximately to equal signals and can be easily eliminated. Due to the above-described consideration of different time shift values deportation in the evaluation by the evaluation unit (9), the detection can be spatially resolved for different time shift values deportation in the evaluation by the evaluation unit (9).
  • Subsections (17) are made separately at different distances from the lens (15).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein störlicht-tolerantes Lidar-Messsystem und ein Verfahren zur Detektion der Anwesenheit/Bewegung von Partikeln mittels eines Störlicht-toleranten Lidar-Messsystems. Das Messsystem weist eine Interferometeranordnung mit einer Dauerstrich-Laserquelle (2), einer Photoempfängeranordnung (7) und optischen Komponenten auf. Die Dauerstrich-Laserquelle (2) weist ferner eine Laserlicht-Erzeugungskomponente (20), einen nachgeschalteten optischen Phasenmodulator (21) und eine Steuereinrichtung (22) auf, die mit dem optischen Phasenmodulators (21) verbunden und angepasst ist, ein Steuersignal zu liefern, das einem durch eine vorbestimmte Phasenfunktion (Θ(t)) definierten Pseudo-Rauschsignal entspricht. Ferner weist die Interferometeranordnung eine Auswerteeinheit (9) auf, die mit der interferometrischen Photoempfängeranordnung (7) gekoppelt und angepasst ist, um deren Detektorsignale zu empfangen und aus den Detektorsignalen die Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln und/oder Objekten zu bestimmen, wobei im Falle zweier von der Laserlicht-Erzeugungskomponente (20) abgestrahlter Wellenlängen die Detektorsignale in zwei Wellenlängenbereichen separat detektiert werden, und wobei die Phasenfunktion (Θ(t)) einen vorbestimmten annähernd treppenförmigen zeitlichen Verlauf aufweist und die Auswerteeinheit (9) die Detektorsignale synchron zum Zeitraster der Treppenstufen von (Θ(t)) abtastet.

Description

Störlicht-tolerantes Lidar-Messsystem und Störlicht-tolerantes Lidar- Messverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Störlicht-tolerantes Lidar-Messsystem zur Detektion der Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln und/oder
Objekten in einem von dem Lidar-Messsystem entfernten Raumbereich und ein Verfahren zur Detektion der Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln und/oder Objekten in einem entfernten Raumbereich mit Hilfe eines
derartigen Lidar-Messsystems. Sie ist eine Erweiterung der Erfindung„Lidar- Messsystem und Lidar-Messverfahren", die mit der internationalen
Veröffentlichungsnummer WO 2014/072514 A1 offengelegt wurde, für den in der Praxis häufigen Fall, dass das Messsystem innere Störreflexe und /oder Störstreuungen und/oder Stör-Lichtüberkopplungen besitzt, die leistungsmäßig zu detektierende Nutzsignale deutlich übertreffen. Der dort zitierte Stand der Technik liegt auch vollständig der vorliegenden Erfindung zugrunde. Diese in WO 2014/072514 A1 dargelegten Grundlagen werden im Rahmen der
vorliegenden Erfindungsbeschreibung der Vollständigkeit halber in weiten Teilen wiederholt. Sie werden teilweise wörtlich wiedergegeben, da der Erfinder der vorliegenden Erfindung auch federführender Erfinder bei WO 2014/072514 A1 ist. Gleichermaßen gilt der erfinderische Inhalt von WO
2014/072514 A1 hier als vorbekannt und wird in der vorliegenden Erfindung teilweise wörtlich wiedergegeben. Ferner ist die Nomenklatur von WO
2014/072514 A1 übernommen.
Lidar (Light detection and ranging) ist ein dem Radar eng verwandtes
Verfahren, das statt der im Fall des Radar eingesetzten Funkwellen Laserlicht einsetzt. Mit ihm kann eine Fernmessung verschiedener Atmosphärenparameter und insbesondere aus der Ferne eine Bestimmung der Anwesenheit, des
Abstands und der Geschwindigkeit von in der Luft oder einer anderen
Atmosphäre befindlichen Partikeln und anderen Objekten vorgenommen werden. Grundsätzlich können alle Partikel, die das verwendete Licht streuen, und alle Objekte vermessen werden, die eine reflektierende Störstelle im Raum oder einen Streukörper darstellen.
Lidar trägt somit dem in verschiedenen Bereichen der Technik bestehenden Bedarf Rechnung, physikalische Parameter an von der eigentlichen
Messvorrichtung entfernten Orten ortsaufgelöst, drahtlos und nicht-invasiv als Funktion der Zeit zu bestimmen. Beispielsweise ist es mit Hilfe von Lidar möglich, über die Vermessung durch Wind bewegter Partikel die an einem von der Messvorrichtung entfernten Ort herrschende Windgeschwindigkeit zu ermitteln. Dies kann zum Beispiel ausgenutzt werden, um in einfacher Weise in bis zu einigen hundert Metern Entfernung vor einer Windkraftanlage die Windgeschwindigkeit zu messen und auf Basis der gemessenen Windgeschwindigkeit regeltechnische Parameter der Windkraftanlage so anzupassen, dass ein möglichst optimaler Wirkungsgrad erzielt und dabei gleichzeitig die Belastung der Windkraftanlage durch den Wind möglichst gering gehalten wird, und bei extremen Windböen ggf. rechtzeitig
Notfallmaßnahmen, wie etwa eine Notabschaltung, zu ergreifen, um eine Beschädigung der Windkraftanlage zu verhindern .
Bekannte Lidar-Systeme zur Bestimmung von Windgeschwindigkeiten beruhen auf der Detektion der durch die Streuung von Laserlicht an mit dem Wind mitbewegten Partikeln bewirkten Doppler- Frequenzverschiebung des
Streulichts (vgl. z.B. C. Weitkamp, Lidar - Range- resolved optical remote sensing of the atmosphere, Springer 2005). Daher kann unmittelbar jeweils nur die Windgeschwindigkeit in der Sichtlinie des verwendeten Laserstrahls ermittelt werden. Die Doppler- Frequenzverschiebung wird in den meisten Fällen
interferometrisch durch Überlagerung des an einer Messvorrichtung
empfangenen Streulichts mit direktem Licht der verwendeten Laserquelle bestimmt. Zu diesem Zweck werden im Stand der Technik hochkohärente Laserquellen mit Kohärenzlängen von mehreren hundert Metern verwendet, die optischen Quellenbandbreiten im Sub-MHz-Bereich entsprechen. Im Stand der Technik sind zur Erzielung von Ortsauflösung grundsätzlich zwei
unterschiedliche Vorgehensweisen bekannt.
Gemäß der einen Vorgehensweise werden gepulste Laserquellen eingesetzt, wobei die Ortsbestimmung über eine Laufzeitmessung der Laserpulse erfolgt. Auf diese Weise können mit einem Puls, dessen Pulsbreite die Ortsauflösung bestimmt, die für Pulse mit einer Breite von 200 ns beispielsweise ca. 30 m beträgt, nacheinander mehrere Auflösungselemente zwischen z.B. 0 und 300 m Abstand von dem Messsystem abgefragt werden. Diese Auflösungselemente sind jeweilige Teilabschnitte des interessierenden Raumbereichs, der von den Laserpulsen durchlaufen wird.
Allerdings ergeben sich regelmäßig aufgrund der jeweils nur für kurze Zeit erfolgenden Beleuchtung jedes Auflösungselements durch den Puls mäßige oder schlechte Signal-Rausch-Verhältnisse, und die Frequenzauflösung und damit auch die Windgeschwindigkeitsauflösung ist aufgrund der kurzen Pulsbreiten begrenzt. Außerdem müssen in der Regel relativ aufwändige Lasersysteme mit einem Masteroszillator und einem Leistungsverstärker verwendet werden.
Gemäß der anderen Vorgehensweise werden Dauerstrich-Laserquellen eingesetzt, deren Strahl mit Hilfe eines geeigneten optischen Systems, wie einer Linse oder eines Teleskops, auf die jeweils gewünschte Zielentfernung fokussiert wird (vgl. z.B. WO 2005/114253 AI). Bei geeigneter Fokussierung stammt dann prinzipiell der größte Teil des empfangenen Streulichtes aus dem fokusnahen Bereich, so dass durch Verschiebung des Fokusbereichs
unterschiedliche Teilabschnitte eines interessierenden Raumbereichs in unterschiedlichen Entfernungen untersucht werden können.
Allerdings besteht dabei das grundsätzliche Problem, dass die effektive
Fokuslänge in etwa quadratisch mit dem Abstand von dem zur Fokussierung verwendeten optischen System zunimmt, so dass für große Abstände nur noch eine schlechte Ortsauflösung erreichbar ist. Ferner wird jeweils auch Streulicht von Partikeln außerhalb des Fokusbereichs empfangen. Wenn derartige Partikel einen größeren Streuquerschnitt als die Partikel im Fokusbereich haben oder in sehr viel größerer Konzentration als die Partikel im Fokusbereich vorliegen, kann ihr Streulicht doch den größten Teil des empfangenen Streulichtes bilden und das Signal aus dem Fokusbereich unkenntlich machen. Ohne aufwändige Maßnahmen würde die gemessene Windgeschwindigkeit dann einem falschen Ort zugeordnet. Ein Beispiel ist eine ggf. deutlich hinter dem Zielbereich, d.h. dem Fokusbereich, befindliche dichte Wolkendecke. Schließlich ist es von Nachteil, dass die Änderung der Fokussierung, die im Allgemeinen mechanisch erfolgt, zusätzlichen apparativen Aufwand erfordert und eine erhebliche Zeit in Anspruch nimmt.
In der Offenlegungsschrift WO 2014/072514 A1 und in den Druckschriften
- E. Brinkmeyer and Th. Waterholter,
Continuous wave synthetic low-coherence wind sensing Lidar: motionless measurement System with subsequent numerical ränge scanning
Optics Express 21 , pp. 1872-1897 (2013)
- E. Brinkmeyer and Th. Waterholter, Remote Wind Sensing, Lidar News
Magazine, vol.4 no.4, p.58-62 (2014)
- E. Brinkmeyer and Th. Waterholter, Fiber optic CW Doppler Lidar using a synthetic broadband source, Proc. of SPIE Vol. 8894, 889402(2013) sind Lidar-Messsysteme und Lidar-Messverfahren offengelegt, mit denen die Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln in einem ausgedehnten entfernten Raumbereich schnell, flexibel und mit hoher Ortsauflösung bestimmt werden kann und die oben genannten Nachteile vermieden werden. Dabei wird eine synthetische Laserquelle verwendet, gebildet aus einer schmalbandigen Laserlicht-Erzeugungskomponente, z.B. einer schmalbandigen Laserdiode, und einem optischen Phasenmodulator, der mit vorbestimmten Signalen angesteuert wird. Neben der Vermeidung von Nachteilen liefert WO 2014/072514 A1 die Erkenntnis und den Vorteil, dass bereits eine Messung die Information über die Partikel oder Objekte längs der Sichtlinie enthält, insbesondere deren Geschwindigkeiten, und dass diese Information durch eine dort angegebene numerische Verarbeitung der Messdaten aufgedeckt werden kann. Die Erkenntnisse und Vorgehensweisen in WO 2014/072514 A1 sind Grundlage und Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung. Wie in WO 2014/072514 A1 ist es auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfach aufgebautes Lidar-Messsystem und ein einfach durchzuführendes Lidar- Messverfahren bereitzustellen, mit denen die Anwesenheit und/oder die Bewegung von Partikeln oder Objekten in einem ausgedehnten entfernten Raumbereich schnell, flexibel und mit wählbarer Ortsauflösung bestimmt werden kann. Im Unterschied zu WO 2014/072514 A1 ist es hier die
erfindungsgemäße Aufgabe, einen rauscharmen Empfang, insbesondere einen annähernd quantenrauschbegrenzten Empfang der erwünschten Nutzsignale zu erreichen auch in Anwesenheit vergleichsweise starker Störreflexe und/oder Störstreuungen und /oder Stör- Überkopplungen aus dem Messsystem selbst oder aus der unmittelbaren Nähre des Messsystems.
Die genannte Aufgabe der Unterdrückung von Stör-Reflexen und Stör- Überkopplungen ist bereits in der Druckschrift
- Waterholter, T. and Brinkmeyer, E., "Reduction of spurious reflections in olcr lidar," CLEO Conference on Lasers and Electro-Optics (paper CTu1 H.6) (2013) adressiert worden. Die dort angesprochenen Störungen stammen beispielsweise von unerwünschten Überkopplungen innerhalb der verwendeten optischen Zirkulatoren, von Reflexionen von Endflächen optischer Fasern und von
Restreflexionen an Linsensystemen. Die dort dargestellte Vorgehensweise zur numerischen Störunterdrückung ist jedoch nicht ausreichend, da bei mehreren Störungen jede dort beschriebene Unterdrückung Restsignale bei der
beabsichtigten Unterdrückung weiterer Störungen hinterlässt. Ferner ist die dortige Unterdrückungsmethode nur auf diskrete Störstellen abgestellt und funktioniert unzureichend, wenn die durch Rayleigh-Streuung in dem
Faserabschnitt zwischen Zirkulator und Sende- /Empfangslinse/Teleskop verteilt entstehenden Störsignale unterdrückt werden sollen. Eine effiziente
Unterdrückung der Auswirkung von Störungen der genannten Art ist deshalb von außerordentlicher Wichtigkeit, da die optischen Leistungen der Störsignale an den optischen Detektoren um viele Größenordnungen über den zu
detektierenden Nutzsignalen aus dem entfernten Raumbereich liegen können und diese Störungen im Messsystem auch mit höchstem Aufwand nicht vermieden werden können. Beispielsweise liegen die Leistungen der genannten Störsignale bei einer Sendeleistung von 1 W bei guten Systemen typischerweise jeweils bei ^W, während die zu empfangenden Nutzsignale aus dem entfernten Raumbereich im Bereich von 1 pW und darunter liegen können. Ohne eine effektive Unterdrückung der Auswirkungen von Störsignalen aus dem Messsystem und dessen unmittelbarer Nähe ist somit in vielen Fällen eine Auswertung der Nutzsignale unmöglich. Die genannte Aufgabe wird durch ein Lidar-Messsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Lidar-Messsystems und des Verfahrens sind Gegenstand der jeweils zugehörigen Unteransprüche.
Nach der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass ein Lidar-Messsystem zur Detektion der Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln und/oder Objekten in einem von dem Lidar-Messsystem entfernten Raumbereich eine Interferometeranordnung mit einer Dauerstrich-Laserquelle, einer
Photoempfängeranordnung, verschiedenen optischen Komponenten zur Leitung von Licht der Dauerstrich -Laserquelle entlang vorbestimmter optischer Wege und einer Auswerteeinheit aufweist.
Die Photoempfängeranordnung ist angepasst, um Detektorsignale auszugeben, die für auf sie auf treffendes Licht charakteristisch ist, das der Dauerstrich - Laserquelle entstammt. Sie kann einen oder mehrere Photodetektoren aufweisen. Die optischen Komponenten sind so angepasst und angeordnet, dass von der Dauerstrich-Laserquelle im Betrieb ausgesandtes Licht zunächst aufgeteilt wird, anschließend entlang eines einen Mess- bzw. Signalzweig der
Interferometeranordnung bildenden ersten optischen Weges und eines von diesem getrennten und einen Referenzzweig der Interferometeranordnung bildenden zweiten optischen Weges geleitet wird und schließlich nach
Durchlaufen des Messzweiges und des Referenzzweiges auf die
Photoempfängeranordnung auftrifft. Die Interferometeranordnung weist somit den Aufbau eines Zweistrahlinterferometers ähnlich dem eines Mach-Zehnder- Interferometers auf. Dabei hat der Referenzzweig eine vorbestimmte optische Weglänge, so dass die optische Laufzeit xref im Referenzzweig so gewählt ist, dass sie der optischen Laufzeit xstör,m eines relevanten, durch Überkopplung oder Restreflexion oder Streuung unerwünschten Lichtweges im Messzweig möglichst genau entspricht oder einer mittleren optischen Laufzeit der unerwünschten Lichtwege und der Messzweig so angepasst ist, dass die verschiedenen relevanten Laufzeiten xstör,m sich möglichst wenig unterscheiden. Als relevant gelten dabei solche
Störungen, die ohne Unterdrückung eine annährend quantenbegrenzte
Detektion der Nutzsignale aus dem entfernten Raumbereich verhindern. Grund für die genannte Wahl der Laufzeiten xref und xstör,m ist die Erkenntnis, dass auf diese Weise in Verbindung mit der weiter unten dargelegten speziellen treppenformigen Phasenmodulation und bei ebenfalls weiter unten dargelegter synchroner Abtastung der Detektorsignale erreicht werden kann, dass die genannten optischen Störsignale in Systemen ohne optische
Frequenzverschieber im Mess- oder Referenzzweig zu elektrischen
Gleichsignalen führen und leicht unterdrückt werden können. In Systemen mit optischem Frequenzverschieber liefern die Störsignale entsprechend ein schmalbandiges elektrisches Signal bei der Verschiebungsfrequenz, das ebenfalls leicht unterdrückt werden kann.
Der Messzweig weist einen Messabschnitt auf, in dem das Licht von dem
Messsystem weg in Richtung auf einen von diesem entfernten Raumbereich gerichtet ist und diesen zumindest teilweise durchläuft und von in dem
Messabschnitt befindlichen Partikeln oder Objekten in Richtung auf das
Messsystem rückgestreutes bzw. reflektiertes Licht wieder am Messsystem empfangen wird.
Mit anderen Worten wird ein Teil des optischen Weges des Messzweiges, nämlich der Messabschnitt, durch den Bereich der Umgebung des Messsystems gebildet, aus dem überhaupt Photonen, die von dem Messsystem in Richtung auf den entfernten Raumbereich verlaufen, bis sie an einem Partikel gestreut oder einem Objekt reflektiert werden, wieder zum Messsystem zurückkehren und dort in den Rest des Messzweiges eingekoppelt werden. Dies erfordert, dass zum einen am Beginn des Messabschnitts das den Messzweig
durchlaufende Laserlicht mit Hilfe einer geeigneten Einrichtung in Richtung auf den entfernten Raumbereich abgestrahlt wird und dass zum anderen am Ende des Messabschnitts ein Teil des gestreuten Lichtes mit einer geeigneten
Empfangseinrichtung empfangen und anschließend entlang des Restes des Messzweiges geleitet wird. Die optische Weglänge des Messzweiges wird somit für jedes Photon durch den Abstand der Partikel bzw. Objekte vom Messsystem bestimmt, von denen das zur Photoempfängeranordnung gelangende gestreute oder reflektierte Licht stammt.
Aus den obigen Erläuterungen ist zu entnehmen, dass der entfernte
Raumbereich einen Teil des Messabschnitts bildet und im Extremfall mit dem Messabschnitt identisch sein kann. Der Messabschnitt umfasst den Bereich der Umgebung des Messsystems, aus dem überhaupt von Partikeln rückgestreutes oder von Objekten reflektiertes Licht in den Rest des Messzweiges eingekoppelt wird. Demgegenüber ist der entfernte Raumbereich der für die Detektion interessierende Bereich, der kleiner oder maximal gleich dem Messabschnitt gewählt werden kann. Die Auswerteeinheit ist mit der Photoempfängeranordnung gekoppelt und angepasst, um deren Detektorsignale zu empfangen und auf Basis der
Detektorsignale die Anwesenheit und /oder Bewegung von Partikeln und /oder Objekten in dem entfernten Raumbereich zu bestimmen. Letzteres kann beispielsweise insbesondere in derselben Weise geschehen, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Insbesondere kann die Bewegung und dabei die Geschwindigkeit in bekannter Weise über die Ermittlung der
Dopplerverschiebung des detektierten Lichtes erfolgen.
Die Dauerstrich- Laserquelle ist so ausgestaltet, dass sie eine Kohärenzlänge in dem Bereich von 0,1 bis 100 m aufweist. Da kohärente Interferenz innerhalb der Photoempfängeranordnung nur für Streulicht von Partikeln bzw.
reflektiertes Licht von Objekten möglich ist, für die die optische Weglänge des Messzweiges innerhalb der Kohärenzlänge mit der optischen Weglänge des Referenzzweiges übereinstimmt, wird durch die stark begrenzte Kohärenzlänge eine hohe und durch geeignete Wahl der Kohärenzlänge wählbare
Ortsauflösung erreicht. Zur Detektoranordnung gelangendes Streulicht bzw. reflektiertes Licht von außerhalb dieses Kohärenzbereichs befindlichen
Partikeln bzw. Objekten führt demgegenüber zu einem breitbandigen
Detektorsignal. Die oben genannten
Störreflexe/Störstreuungen /Störüberkopplungen im Messzweig liegen gemäß der oben angegebenen Wahl der optischen Laufzeit im Referenzzweig im Kohärenzbereich oder in seiner Nähe. Die Nutzsignale aus dem entfernten Raumbereich liegen dagegen außerhalb des Kohärenzbereiches.
Wie in WO 2014/072514 A1 und wie dort detailliert beschrieben besteht die in der vorliegenden Erfindung verwendete Dauerstrich -Laserquelle aus einer Laserlicht-Erzeugungskomponente, einem dieser nachgeschalteten optischen Phasenmodulator und einer Steuereinrichtung zur Steuerung des optischen Phasenmodulators. Die Ansteuerung des Phasenmodulators erfolgt auf der Basis eines vorbestimmten zeitdiskreten Datensatzes. Dieser Datensatz Θη hat die Eigenschaft, wie in WO 2014/072514 A1 , genauer aber in
- E. Brinkmeyer and Th. Waterholter,
Continuous wave synthetic low-coherence wind sensing Lidar: motionless measurement System with subsequent numerical ränge scanning
Optics Express 21 , pp. 1872-1897 (2013) beschrieben ist, dass das Betragsquadrat der diskreten Fouriertransformierten von exp(j Θη) ein spektrales Leistungsdichtespektrum liefert, das annähernd eine vorgegebenen Form, z.B. einer Gauss-Form, und eine vorgegebene
Bandbreite hat. Nach entsprechender Phasenmodulation besitzt das optische Leistungsdichtspektrum effektiv diese Form und Breite. Zur Ansteuerung des Phasenmodulators müssen die genannten digitalen Daten in ein analoges Ansteuersignal umgesetzt werden. Der vorliegenden Erfindung liegt nun die weitere Erkenntnis zugrunde, dass diese Umsetzung in Verbindung mit der oben angegebenen Wahl der optischen Weglänge im Referenzzweig entscheidend für die Unterdrückung der genannten
Störreflexe/Störstreuungen /Störüberkopplungen im Messzweig ist. Das analoge Ansteuersignal soll erfindungsgemäß so gestaltet sein, dass die optische
Phasenverschiebung eine annähernd treppenförmige Funktion bildet, wobei die Funktionswerte auf den Treppenstufen dem digitalen Datensatz Θη
entsprechen. Die Treppenstufen sind erfindungsgemäß möglichst flach, d.h. die Phasenunterschiede auf einer Stufe sind möglichst klein. Die Breiten der Treppenstufen sind vorzugsweise gleich, z.B. 5ns oder 10ns, und richten sich nach dem Abtastheorem.
Die Auswerteanordnung hinter der Photoempfängeranordnung ist
erfindungsgemäß so angepasst, dass die Detektorsignale synchron mit der stufenförmigen Ansteuerung des Phasenmodulators abgetastet werden und die Abtastzeitpunkte tabtast so gewählt werden, dass die analogen Werte Θ( tabtast - tref) und ©(tabtast - Tstör,m) für die relevanten
Störreflexe/Störstreuungen /Störüberkopplungen auf derselben Stufe der treppenförmigen Phasenfunktion zu liegen kommen, somit annähernd gleich groß sind und ihre Differenz annähernd verschwindet. Dies führt insbesondere dazu, dass die genannten Störungen in einem System ohne Frequenzverschieber im Mess- oder Referenzzweig in den Detektorsignalen annähernd zu
Gleichsignalen führen und leicht beseitigt werden können. Ferner ist die Auswerteeinheit wie in WO 2014/072514 A1 angepasst, um die Auswertung auf Basis einer Funktion der Detektorsignale, der vorbestimmten Phasenfunktion und eines Zeitverschiebungswertes Abschiebung vorzunehmen, die in der Weise gewählt ist, dass das Ergebnis der Funktion, im Falle der vorliegenden Erfindung nun bis auf den unterdrückten Anteil der
Störreflexe/Störstreuungen/Störüberkopplungen, dem Detektorsignal entspricht, das sich bei Wahl eines Referenzzweiges ergeben würde, der gegenüber dem tatsächlichen Referenzzweig eine um Abschiebung geänderte Laufzeit und damit auch eine entsprechend geänderte optische Weglänge aufweist. Der effektive Kohärenzbereich wird damit hier numerisch von dem Ort der Störungen im Messsystem hin zu einem gewünschten Ort im entfernten Raumbereich verschoben, der durch Abschiebung bestimmt ist. Diese
Ausgestaltung beruht auf der Erkenntnis aus WO 2014/072514 A1 , dass die Detektorsignale bereits die Informationen über Partikel und Objekte in anderen Teilabschnitten des entfernten Raumbereichs in anderen Abständen vom
Messsystem enthalten und diese Informationen aufgrund der zahlenmäßigen Kenntnis der vorbestimmten Phasenwerte Θη aufgedeckt werden können. Für die numerische Verschiebung des Kohärenzbereiches und die auf gleiche Weise sequentiell oder parallel zu bewerkstelligende Auswertung des gesamten entfernten Raumbereichs oder eines größeren Teilabschnitts von diesem ist die Kenntnis der zur Ansteuerung des optischen Phasenmodulators und zur entsprechenden Erzeugung des von der Dauerstrich-Laserquelle abgestrahlten Lichtes verwendeten Phasenfunktion 0(t) erforderlich. Diese ist für eine natürliche Laserquelle nicht bekannt und müsste aufwändig bestimmt werden. Bei der hier verwendeten Dauerstrich- Laserquelle werden dagegen die
Phaseneigenschaften des Laserstrahls synthetisch erzeugt, sind nur pseudo- zufällig und liegen in Form der Phasenfunktion 0(t) zahlenmäßig vor. Diese Phasenfunktion 0(t) findet sich in bestimmter Weise in den komplexen
Amplituden der Detektorsignale wieder, die, wie in WO 2014/072514 A1 und den anderen genannten eigenen Druckschriften des Erfinders dargelegt, auf Grundlage der Kenntnis der Phasenfunktion 0(t) gezielt numerisch verändert werden kann, um dadurch für die Zwecke der Auswertung eine von der tatsächlichen optischen Weglänge abweichende optische Weglänge des
Referenzzweiges vorzutäuschen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfassen die optischen Komponenten einen Strahlteiler, wie zum Beispiel insbesondere einen faseroptischen Koppler, zur Aufteilung des von der Dauerstrich- Laserquelle abgestrahlten Lichtes, polarisationserhaltende optische Fasern, sogenannte PM- Fasern, oder nicht polarisationserhaltende Fasern, die zumindest einen Teil des Referenzzweiges definieren, und/oder derartige optische Fasern, die einen Teil des Messzweiges definieren, einen optischen Verstärker, z.B. einen Erbium -Faser- Verstärker, im Messzweig oder vor der Aufteilung in Mess- und Referenzzweig und einen kohärenten optische
Empfänger mit oder ohne Polarisations-Diversität (englisch: polarization diversity), der vorzugsweise ein oder zwei optische 90° -Hybride enthält.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfassen die optischen Komponenten wie in WO 2014/072514 A1 eine Abstrahl- und Empfangseinrichtung, die den Beginn und das Ende des Messabschnitts des Messzweiges definiert und angepasst ist, um das Licht von dem Messsystem weg in Richtung auf den Raumbereich abzustrahlen und rückgestreutes Licht wieder zu empfangen, so dass dieses entlang des Restes des Messzweiges geführt wird. Die Abstrahl- und
Empfangseinrichtung kann einen Empfänger aufweisen, der räumlich von einer Abstrahleinrichtung getrennt ist (d.h. ein bistatisches System), oder eine Komponente, die an einem Ort sowohl zur Abstrahlung als auch zum Empfang von Laserlicht angepasst ist (d.h. ein monostatisches System). Die kombinierte Abstrahl-und Empfangseinrichtung kann insbesondere einen optischen
Zirkulator und ein Linsensystem aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält der Photoempfänger ein optsches 6-Tor 90° -Hybrid und vier Photoempfänger an den Ausgängen, von denen je zwei das sogenannte In-Phase-Signal und zwei das sogenannte Quadratursignal enthalten. Ein solcher Photoempfänger wird auch als kohärenter Empfänger mit Phasendiversität (phase diversity) bezeichnet. Die Photoempfänger können vorteilhafterweise ein Hochpassverhalten aufweisen mit einer niedrigen Grenzfrequenz von beispielsweise 100 kHz. Im Rahmen eines sogenannten balancierten Empfang werden vorteilhafterweise in bekannter weise zum Zwecke der Störreduktion die beiden In-Phase-Signale wie auch die beiden Quadratursignale voneinander subtrahiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Photoempfänger für den Messzweig und/oder für den Referenzweig am Eingang Polarisationsstrahlteileranordnungen auf, die die jeweiligen optischen Wellen in zwei zueinander orthogonal polarisierte, beispielsweise x- und y-polarisierte Anteile zerlegen und für jeden der beiden
Polarisationszustände einen eigenen kohärenten Empfänger mit
Phasendiversität. In dieser Ausführungsform können die polarisierten
Teilwellen aus dem Messzweig separat analysiert werden oder ein
polarisationsunabhängiges leistungsmäßiges Gesamtsignal in der
Auswerteeinheit gebildet werden.
Desweiteren weisen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindungen im Unterschied zu WO 2014/072514 A1 auf
- einen Messzweig mit oder ohne optischen Frequenzverschieber, bei dem die Laufzeiten xstör,m der durch Störreflexe/Störstreuungen/Störüberkopplungen entstehenden unerwünschten optischen Wege sich möglichst wenig unterscheiden
- einen Referenzzweig mit oder ohne optischen Frequenzverschieber, in dem die optische Laufzeit xref in Bezug auf die Lage der
Störreflexe/Störstreuungen/ Störüberkopplungen wie oben beschrieben gewählt ist
- die oben angegebene treppenförmige Wahl der optischen
Phasenverschiebung
- die oben angegebene Wahl der Empfängeranordnung mit einem oder zwei optischen 90° -Hybriden
- eine mit dem treppenförmigen optischen Phasenverlauf synchronisierte
Abtastung der Detektorsignale und eine Wahl der Abtastzeitpunkte wie oben angegeben und wie bei WO 2014/072514 A1 - ist die die Auswerteeinheit angepasst, um die Auswertung auf Basis einer Funktion der Detektorsignale, der vorbestimmten Phasenfunktion und eines Zeitverschiebungswertes Abschiebung vorzunehmen und die Laserlicht- Erzeugungskomponente ist angepasst, um eine Wellenlänge abzustrahlen oder gleichzeitig oder abwechselnd Laserlicht zweier Wellenlängen abzustrahlen, um auf diese Weise ein DIAL-System (differential absorption lidar) zu realisieren oder
- es ist die Auswerteeinheit angepasst, um die Auswertung auf Basis einer Funktion der Detektorsignale, der vorbestimmten Phasenfunktion und eines Zeitverschiebungswertes Abschiebung vorzunehmen und ein optischer
Wellenleiter definiert zumindest einen Teil des Messabschnitts und in diesem Wellenleiter befinden sich Reflexionsanordnungen, sodass auf eine in WO 2014/072514 A1 dargelegte Weise ein verteilter Wellenleiter-Sensor, insbesondere ein faseroptischer Sensor gebildet wird, in dem die entlang des optischen Wellenleiters angeordneten Reflexionseinrichtungen einzelne Sensorelemente darstellen. oder
- es ist die Auswerteeinheit angepasst, um die Auswertung auf Basis einer Funktion der Detektorsignale, der vorbestimmten Phasenfunktion und eines Zeitverschiebungswertes Atyerschiebung vorzunehmen und ein optischer
Wellenleiter definiert zumindest einen Teil des Messabschnitts, und die Rayleigh-Rückstreuung aus den Längenelementen des Wellenleiters wird ausgewertet, um daraus auf die ortsabhängige Dämpfung, auf lokalisierte Fehlstellen oder ortsabhängige Polarisationseigenschaften zu schließen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens, in der eines der oben beschriebenen Lidarmesssysteme zum Einsatz kommt, wird der Messzweig so angepasst, dass die optischen Laufzeiten xstör,mder relevanten, durch
Überkopplung oder Restreflexion oder Störstreuung entstehenden
unerwünschten Lichtwege im Messzweig von der Verzweigungsstelle von Mess- und Referenzzweig zur Empfängeranordnung sich möglichst wenig
unterscheiden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens, in der eines der oben beschriebenen Lidarmesssysteme zum Einsatz kommt, wird der Referenzzweig so angepasst, dass die optische Laufzeit xref im Referenzzweig von der
Verzweigungsstelle von Mess- und Referenzzweig zur Empfängeranordnung möglichst genau mit derjenigen der oben genannten optischen Laufzeiten xstör,m übereinstimmt, die durch Überkopplung oder Restreflexion oder Störstreuung das größte Störsignal erzeugt oder mit einem Mittelwert der relevanten
Laufzeiten xstör,m.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens, in der eines der oben beschriebenen Lidarmesssysteme zum Einsatz kommt, wird die Ansteuerung des Phasenmodulators so angepasst, dass er mit einem treppenförmigen Signal angesteuert wird, sodass die optischen Phasenwerte auf den einzelnen
Treppenstufen möglichst konstant sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens, in der eines der oben beschriebenen Lidarmesssysteme zum Einsatz kommt, wird die Auswerteeinheit so angepasst, dass sie die Abtastzeitpunkte tabtast der Detektorsignale synchron mit der treppenförmigen Ansteuerung des optischen Phasenmodulators einstellt, dergestalt, dass die analogen Werte Θ( tabtast- tref) und Θ( tabtast - tstör,m) für die größten Störreflexe/Störstreuungen /Störüberkopplungen auf derselben Stufe der treppenförmigen Phasenfunktion zu liegen kommen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens, in dem eines der oben beschriebenen Lidarmesssysteme zum Einsatz kommt und eine
Auswerteeinheit, die angepasst ist, um die Auswertung auf Basis einer Funktion der Detektorsignale, der vorbestimmten Phasenfunktion und eines
Zeitverschiebungswertes Abschiebung vorzunehmen, wird an der Auswerteeinheit das Zeitintervall Abschiebung verändert, um den effektiven Kohärenzbereich numerisch von dem Ort der Störungen im Messsystem hin zu einem
gewünschten Ort im entfernten Raumbereich zu verschieben, sodass die
Auswerteeinheit in diesem Teilabschnitt die Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln und/oder Objekten bestimmen und quantifizieren kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens, in der eines der oben beschriebene Lidar-Messsysteme zum Einsatz kommt und in der
Auswerteanordnung eine Detektion mit Polarisations-Diversität (polarization diversity) zum Einsatz kommt , wird das Licht zweier unterschiedlicher
Polarisationsrichtungen detektiert und mit Hilfe der Auswerteeinheit werden auf Basis der beiden Teildetektorsignalen Änderungen des
Polarisationszustandes durch die detektierten Partikel und/oder Objekte bestimmt und daraus Information über die Art und/oder Form der Partikel und/oder Objekte gewonnen, oder es wird ein polarisationsunabhängiges Leistungs-Gesamtsignal gebildet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens, in der eines der oben beschriebene Lidar-Messsysteme zum Einsatz kommt, wird das Licht zweier unterschiedlicher Wellenlängenbereiche detektiert, und mit Hilfe der Auswerteeinheit wird auf Basis einer Funktion der Teildetektorsignale in beiden Wellenlängenbereichen, der vorbestimmten Phasenfunktion und einer Vielzahl unterschiedlicher Zeitverschiebungswerte Abschiebung, die jeweils einem anderen Teilabschnitt des entfernten Raumbereichs entsprechen, ortsaufgelöst die Konzentration mindestens eines Gases bestimmt, das für die beiden
Wellenlängenbereiche unterschiedliche Absorptionskoeffizienten aufweist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens unter Verwendung eines der oben beschriebenen Lidar-Messsysteme, in dem ein optischer Wellenleiter zumindest einen Teil des Messabschnitts definiert, sind Reflexionseinrichtungen so angepasst, dass sie in Abhängigkeit einer auf sie einwirkenden Messgröße ihre Reflektivität und/oder ihre Polarisationseigenschaften ändern, oder die zwischen jeweils zwei benachbarten Reflexionsein richtungen befindlichen Abschnitte des optischen Wellenleiters sind so angepasst, dass sie in
Abhängigkeit einer auf sie einwirkenden Messgröße ihren optischen Weg ändern. Dabei kann der Wellenleiter, der einen Teil des Messabschnitts definiert, einen oder mehrere optische Modulatoren, insbesondere Phasenoder Frequenzmodulatoren enthalten, mit dem Ziel, statische oder
quasistatische Reflexionseinrichtungen effektiv als bewegte
Reflexionseinrichtungen erscheinen zu lassen. In jedem Fall wird mit Hilfe der Auswerteeinheit an verschiedenen Reflexionseinrichtungen oder verschiedenen Abschnitten zwischen Reflexionseinrichtungen entsprechenden Orten die Messgröße bestimmt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens unter Verwendung eines der oben beschriebenen Lidar-Messsysteme, in dem ein optischer Wellenleiter zumindest einen Teil des Messabschnitts definiert, ist die Messgröße eine Dehnung des optischen Wellenleiters, eine Schwingung des optischen
Wellenleiters und/oder eine Temperatur.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens unter Verwendung eines der oben beschriebenen Lidar-Messsysteme, in dem ein optischer Wellenleiter zumindest einen Teil des Messabschnitts definiert, werden die
Reflexionseinrichtungen durch Fehlstellen oder Rayleigh-Rückstreu-Bereiche gebildet und der optische Wellenleiter mit Hilfe der Auswerteeinheit längenaufgelöst charakterisiert. Dabei kann der Wellenleiter, der einen Teil des Messabschnitts definiert, einen oder mehrere optische Modulatoren, insbesondere Phasen- oder Frequenzmodulatoren enthalten, mit dem Ziel, die statischen oder quasistatischen Rayleigh-Rückstreu-Bereiche effektiv als bewegte Reflexionseinrichtungen erscheinen zu lassen. Durch dieses Verfahren können Faserstrecken untersucht werden, indem aus der Änderung des
Detektorsignals für benachbarte Messorte auf die lokale Dämpfung geschlossen wird. Dieses Verfahren kann die Verwendung von Zeitbereichsreflektometern ersetzen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert: Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Lidar-Messsystems gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Das in Figur 1 schematisch gezeigte Lidar-Messsystem weist auf eine Dauerstrich- Laserquelle (2) mit einer Ausgangsleistung von
z.B. 1 mW und einer Wellenlänge von z.B. 1530 nm auf, deren Licht einen Erbium-Faserverstärker (11 ) mit einer Ausgangsleistung von z.B. 1W durchläuft und dann durch einen Strahlteiler (3) in Form eines unsymmetrischen
faseroptischen Kopplers auf einen teilweise faseroptisch definierten Messzweig (4) und einen vollständig faseroptisch definierten Referenzzweig (5) aufgeteilt wird. Die Aufteilung durch den Koppler 3 erfolgt z.B. im Verhältnis 1000:1 , d.h. z.B. 0,1 Prozent der Ausganglichtleistung des Verstärkers (11 ) wird in den
Referenzzweig gekoppelt. Alternativ kann sich der Faserverstärker (11 ) auch im Messzweig (4) befinden, wobei dann das Teilungsverhältnis des Kopplers (3) z.B. 1 :1 sein kann. Die verwendeten optischen Fasern sind bevorzugt
Monomodefasern mit niedriger Dämpfung und einem Feldradius von z.B. 5 μιη. Am Ende von Messzweig (4), d.h. am Ende des Teilmesszweiges (4b), und am Ende des Referenzzweig (5) ist ein kohärenter optischer Empfänger (7) angeordnet, der ein optisches 6-Tor 90° -Hybrid enthält und vier
Photodetektoren, beispielsweise InGaAs-Photodioden. Wie von kohärenten optischen Nachrichtensystemen bekannt bildet der Empfänger zwei In-Phase- Signale und zwei Quadratursignale, die in dem Empfänger (7) oder in der Auswerteeinheit (9) jeweils voneinander subtrahiert werden, um durch balancierte Detektion Störungen zu unterdrücken. Die optischen Detektoren werden bevorzugt im Empfänger (7) in einer Hochpassschaltung mit niedriger Grenzfrequenz, z.B. 100 kHz, betrieben, um Gleichsignale auszufiltern. Das In- Phase- Differenzsignal und das Quadratur-Differenzsignal wird anschließend einer Auswerteeinheit (9) zugeführt, die eines davon als Realteil und das andere als Imaginärteil eines komplexen Signales interpretiert und zu einem komplexen Signal rechnerisch zusammenführt. Dieses komplexe Signal wird schließlich in der Auswerteeinheit analysiert und es wird zur Detektion der Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln und/oder Objekten
ausgewertet.
Die optischen Wege in Mess- und Referenzarm sind möglichst kurz gehalten, sodass die Polarisationszustände am Ende des Faserabschnittes (4b) und am Ende des Referenzzweiges (5) einmalig eingestellt werden und dann zeitlich annähernd stabil sind. Ist dies nicht ausreichend der Fall, so werden im Mess- und/oder Referenzzweig Polarisationssteller eingesetzt oder im Mess- und/oder Referenzzweig polarisationserhaltende Fasern eingesetzt und/oder die
Empfängereinheit (7) besitzt in beiden Eingangszweigen geeignete
Polarisationsteiler und für jede der beiden gewählten orthogonalen
Polarisationen einen kohärenten Empfänger mit je vier Photodetektoren und der Auswerteeinheit werden vier Signale zugeführt, aus denen sie für jede Polarisation ein charakteristisches komplexes Signal bildet. Der Messzweig weist einen optischen Zirkulator (13) auf, mit dessen Hilfe Licht über einen Faserabschnitt (14a) einer Sende- /Empfangslinse (15) einer Brennweite von z.B. 250mm zugeleitet wird. Der Referenzzweig (5) oder der Messzweig (4) weist eine Ausgleichs-Faserabschnitt (19) auf, sodass die optischen Wege vom Koppler (3) über den Referenzzweig zur optischen Empfängereinheit (7) möglichst gleich sind mit der Summe folgender optischer Wege, die bei
Vorliegen unerwünschter Reflexionen oder Überkopplungen zu Störsignalen führen können:
(4a) und (4b) oder
(4a), (14a) hin und (14a) zurück und (4b) oder (4a), (14a) hin, (14b) hin, (14b) zurück, (14a) zurück und (4b) oder einem geeigneten Zwischenwert der drei zuvor genannten Wege. Der Ausgleichs-Faserabschnitt (19) hat bemerkenswerterweise eine andere Funktion und Länge als die Umwegstrecke (18) in WO 2014/072514 A1 und kann sich je nach Konfiguration des Aufbaus anders als die Letztgenannte sowohl im
Referenzzweig (5) wie im Messzweig (4) befinden.
Bevorzugt ist der Faserabschnitt (14a) so kurz wie möglich oder mehr bevorzugt wird dieser Faserabschnitt gänzlich weggelassen. Dadurch sind die optischen Wege zwischen möglichen Störstellen am Zirkulator (13), am Anfang und Ende des Faserabschnittes (14a), an der Sende- /Empfangslinse (15) und Streustellen innerhalb des Faserabschnittes (14a) klein. Trifft das Licht in dem Bereich hinter der Linse in der Weise auf rückstreuende Partikel, dass es wieder zu der Linse (15) gelangt, wird es wieder in den Faserabschnitt (14) und anschließend über den Zirkulator (13) in den Teil (4b) des Messabschnitts (4) eingekoppelt. Der Bereich, in dem überhaupt Licht durch Rückstreuung an Partikeln wieder zu der Linse (15) gelangen kann, stellt einen Messabschnitt (16) des
Messzweiges (4) dar. Die Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln und/oder Objekten kann in dem gesamten Messabschnitt (16) oder nur in einem Teil von diesem detektiert werden, der in der vorliegenden Anmeldung als entfernter Raumbereich bezeichnet wird. Der entfernte Raumbereich ist demnach der für eine bestimmte Messung interessierende Teil des
Messabschnitts (16). Die Auswerteanordnung (9) hinter der
Photoempfängeranordnung (7) ist so angepasst, dass die Detektorsignale synchron mit der stufenförmigen Ansteuerung des Phasenmodulators abgetastet werden und die Abtastzeitpunkte tabtast so gewählt werden, dass die analogen Werte Θ( tabtast - τκί) und Θ( tabtast - Tstör,m) für die relevanten
Störreflexe/Störstreuungen /Störüberkopplungen auf derselben Stufe der treppenförmigen Phasenfunktion zu liegen kommen, somit annähernd gleich groß sind und ihre Differenz annähernd verschwindet. Dies führt insbesondere dazu, dass die genannten Störungen annähernd zu Gleichsignalen führen und leicht beseitigt werden können. Durch die oben beschriebene Berücksichtigung verschiedener Zeitverschiebungswerte Abschiebung bei der Auswertung durch die Auswerteeinheit (9) kann rein rechnerisch ohne Veränderungen an dem beschriebenen Aufbau die Detektion ortsaufgelöst für verschiedene
Teilabschnitte (17) in unterschiedlichen Abständen von der Linse (15) separat vorgenommen werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Störlicht-tolerantes Lidar-Messsystem zur Detektion der Anwesenheit
und/oder Bewegung von Partikeln und/oder Objekten in einem von dem Lidar-Messsystem entfernten Raumbereich mit einer
Interferometeranordnung, die aufweist: eine Dauerstrich -Laserquelle (2), eine Photoempfängeranordnung (7), die angepasst ist, um für auf sie auf treffendes Licht der Dauerstrich -Laserquelle (2) charakteristische Detektorsignale auszugeben, optische Komponenten, die so angepasst und angeordnet sind, dass von der Dauerstrich-Laserquelle (2) ausgesandtes Licht (23) zunächst aufgeteilt wird, anschließend entlang eines einen Messzweig (4) der
Interferometeranordnung bildenden ersten optischen Weges und eines von diesem getrennten und einen Referenzzweig (5) der
Interferometeranordnung bildenden zweiten optischen Weges geleitet wird und schließlich nach Durchlaufen des Messzweiges (4) und des Referenzzweiges (5) auf die Photoempfängeranordnung (7) auftrifft, wobei der
Referenzzweig (5) eine vorbestimmte optische Weglänge hat und der Messzweig (4) einen Messabschnitt (16) aufweist, in dem das Licht von dem Messsystem weg in Richtung auf einen von diesem entfernten
Raumbereich gerichtet ist und diesen durchläuft und von in dem
Raumbereich befindlichen Partikeln und Objekten in Richtung auf das Messsystem rückgestreutes bzw. reflektiertes Licht wieder am Messsystem empfangen wird, wobei die Dauerstrich -Laserquelle (2) eine Kohärenzlänge in dem Bereich von 0, 1 bis 100 m aufweist, und die Dauerstrich -Laserquelle (2) ferner aufweist: eine Laserlicht-Erzeugungskomponente (20), die angepasst ist, um
Laserlicht einer oder zweier Wellenlängen abzustrahlen, einen dieser nachgeschalteten optischen Phasenmodulator (21 ), der angepasst ist, um das von der Laserlicht-Erzeugungskomponente (20) abgestrahlte Laserlicht zu empfangen und in seiner Phase zu modulieren, wobei der optische Phasenmodulator (21 ) einen Steuersignaleingang aufweist und angepasst ist, um die Phasenmodulation auf Basis einer Phasenfunktion vorzunehmen, die durch ein am Steuersignaleingang empfangenes Steuersignal definiert wird, und eine Steuereinrichtung (22), die mit dem Steuersignaleingang des optischen Phasenmodulators (21 ) verbunden und angepasst ist, um an den Steuersignaleingang ein Steuersignal zu liefern, das einem durch eine vorbestimmte Phasenfunktion 9(t) definierten Pseudo-Rauschsignal entspricht, wobei das Steuersignal bewirkt, dass der optische
Phasenmodulator (21 ) die Phasenmodulation mit der vorbestimmten Phasenfunktion 9(t) vornimmt, so dass das optische
Leistungsdichtespektrum des von der Dauerstrich-Laserquelle (2) abgestrahlten Laserlichts (23) eine durch die Phasenfunktion 9(t) bestimmte Form und Bandbreite hat, und die Interferometeranordnung ferner aufweist eine Auswerteeinheit (9), die mit der interferometrischen
Photoempfängeranordnung (7) gekoppelt und angepasst ist, um deren Detektorsignale zu empfangen und aus den Detektorsignalen die
Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln und/oder Objekten in dem entfernten Raumbereich zu bestimmen, wobei im Falle zweier von der Laserlicht-Erzeugungskomponente (20) abgestrahlter Wellenlängen die Detektorsignale in zwei Wellenlängenbereichen separat detektiert werden, dadurch gekennzeichnet dass
- die Phasenfunktion 0(t) einen vorbestimmten annähernd
treppenförmigen zeitlichen Verlauf aufweist und dass
- die Auswerteeinheit (9) die Detektorsignale synchron zum Zeitraster der Treppenstufen von 0(t) abtastet.
2. Störlicht-tolerantes Lidar-Messsystem nach Anspruch 1 , bei dem die
optische Laufzeit xref im Referenzzweig (5) so gewählt ist, dass sie der optischen Laufzeit xstör,m eines durch Stör- Überkopplung oder Restreflexion oder Stör-Streuung an festen Komponenten und Objekten unerwünschten Lichtweges im Messzweig des Messsystems (1 ) möglichst genau entspricht oder bei mehreren solcher Lichtwege einer mittleren optischen Laufzeit der unerwünschten Lichtwege, jeweils gemessen von der Aufteilung in Mess- und Referenzzweig bis zur optischen Zusammenführung in der Empfängeranordnung (7).
3. Störlicht-tolerantes Lidar-Messsystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem
optische Faserstücke und optische Wege im Messzweig innerhalb des Messsystem (1 ), die Licht bidirektional zur Empfängeranordung (7) führen, möglichst kurz gewählt oder ganz weggelassen sind, sodass sich die optischen Laufzeiten xstör,m unerwünschter optischer Lichtwege im
Messzweig zur Photoempfängeranordnung, die durch Stör- Überkopplung oder Restreflexion oder Stör-Streuung entstehen, nur wenig unterscheiden.
4. Störlicht-tolerantes Lidar-Messsystem nach einem der vorangehenden
Ansprüche, bei dem in der Auswerteeinheit (9) die Abtastzeitpunkte tabtast so gewählt werden, dass Θ( tabtast - τκ und Θ( tabtast - istör.m) für die größten Störreflexe bzw. Überkopplungen auf derselben Stufe der stufenförmigen Phasenfunktion zu liegen kommen und somit annähernd gleich groß sind.
5. Störlicht-tolerantes Lidar-Messsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Auswerteeinheit (9) angepasst ist, um die von Störreflexionen und/oder Störstreuungen und/oder Stör- Lichtüberkopplungen erzeugten Signale möglichst stark zu unterdrücken, und um die Auswertung auf Basis einer Funktion der Detektorsignale, der vorbestimmten Phasenfunktion und eines Zeitverschiebungswertes
Atverschiebung vorzunehmen, wobei die Funktion in der Weise gewählt ist, dass das Ergebnis der Funktion dem Detektorsignal bei einer gegenüber der tatsächlichen Laufzeit durch den Referenzzweig (5) um AtVerschiebung geänderten Laufzeit durch den Referenzzweig (5) entspricht und die Funktion die Multiplikation des Detektorsignals mit dem Faktor exp [-i [0(t+
Atverschiebung) " 0(t) )] UmfaSSt.
6. Störlicht-tolerantes Lidar-Messsystem nach einem der vorangehenden
Ansprüche, bei dem die Photoempfängereinheit (7) zumindest ein optisches 90° -Hybrid umfasst und damit ein kohärenter optischer Empfänger aufgebaut ist, mit dem In-Phase- und Quadratur- Signale erzeugt werden können.
7. Störlicht-tolerantes Lidar-Messsystem nach einem der vorangehenden
Ansprüche, bei dem die Photoempfängereinheit (7) ein optisches 6- Port 90° -Hybrid beinhaltet mit zwei optischen Eingängen und vier optischen Ausgängen und vier Photodetektoren für balancierten optischen Empfang von In-Phase- und Quadratur-Signalen.
8. Störlicht-tolerantes Lidar-Messsystem nach einem der vorangehenden
Ansprüche, bei dem die Photoempfängereinheit (7) Polarisationsteiler- Anordnungen enthält und zwei optische 6-Port 90° -Hybride und zweimal vier Photodetektoren beinhaltet zur getrennten Detektion der Messsignale in zwei orthogonalen Polarisationszuständen oder zu dem Zwecke, aus den Teilsignalen ein polarisationsunabhängiges Leistungs-Gesamtsignal berechnen zu können.
9. Störlicht-tolerantes Lidar-Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei dem die optischen Komponenten umfassen: einen
Strahlteiler (3) zur Aufteilung des von der Dauerstrich-Laserquelle (2) abgestrahlten Lichtes (23), polariationerhaltende oder nicht- polarisationserhaltende optische Fasern, die zumindest einen Teil des Referenzzweiges (5) definieren, und/oder derartige optische Fasern, die einen Teil des Messzweiges (4) definieren, einen optischen Verstärker (1 1 ), insbesondere einen Erbium-Faser- Verstärker, im Messzweig (4) oder vor der Aufteilung in Mess- (4) und Referenzzweig (5), wobei im Messzweig oder im Referenzzweig ein optischer Frequenzverschieber einsetzt werden kann, und einen kohärenten optische Empfängeranordnung (7) mit oder ohne Polarisations-Diversität, der einen Strahlvereiniger, insbesondere in Form eines faseroptischen Kopplers, oder ein oder zwei optische 90° -Hybride enthält.
10. Störlicht-tolerantes Lidar-Messsystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei dem die optischen Komponenten eine Abstrahl- und
Empfangseinrichtung aufweisen, die den Beginn und das Ende des
Messabschnitts (16) des Messzweiges (4) definiert und angepasst ist, um das Licht von dem Messsystem weg in Richtung auf den Raumbereich
abzustrahlen und im Raumbereich rückgestreutes Licht wieder zu empfangen, so dass dieses entlang des Teilweges (4b) des Messzweiges (4) geführt wird.
1 1 . Störlicht-tolerantes Lidar-Messsystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei dem die optischen Komponenten eine Einkoppelanordnung in einen Wellenleiter aufweisen und der optischer Wellenleiter mit darin enthaltenen Reflexionseinrichtungen zumindest einen Teil der
Messabschnittes (16) definiert, um auf diese Weise den Wellenleiter selbst bezüglich Fehlstellen, ortsabhängiger Dämpfung oder ortsabhängiger Polarisationseigenschaften zu analysieren oder um einen verteilten wellenleiteroptischen, insbesondere faseroptischen Sensor zu realisieren, wobei der Wellenleiter, der einen Teil des Messabschnitts definiert, einen oder mehrere optische Modulatoren, insbesondere Phasen- oder
Frequenzmodulatoren enthalten kann, mit dem Ziel, statische oder quasistatische Reflexionsein richtungen oderRayleigh-Rückstreu-Bereiche effektiv als bewegte Reflexionsein richtungen erscheinen zu lassen.
12. Verfahren zur Detektion der Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln in einem entfernten Raumbereich mit Hilfe eines Störlicht-toleranten Lidar-Messsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 mit den Schritten:
Anordnen des Messzweiges (4) in der Weise, dass der entfernte
Raumbereich Teil des Messabschnitts (16) ist,
Einstellen der Form und /oder Bandbreite des optischen
Leistungsdichtespektrums des von der Dauerstrich-Laserquelle (2) abgestrahlten Laserlichtes (23), indem die vorbestimmte Phasenfunktion 0(t) an der Steuereinrichtung (22) entsprechend eingestellt wird,
Betreiben der Dauerstrich -Laserquelle (2), um Laserlicht gleichzeitig entlang des Messzweiges (4) und entlang des Referenzzweiges (5) zu leiten, und
Bestimmen der Anwesenheit und/oder Bewegung und /oder Veränderung von Partikeln und/oder Objekten in dem entfernten Raumbereich mit Hilfe der Auswerteeinheit (9).
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Störlicht-tolerante Lidar
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 ausgestaltet ist und das den Schritt aufweist, dass die optische Phase hinter der Dauerstrich- Laserquelle (2) mit Hilfe der Steuereinrichtung (22) und des Phasenmodulators (21 ) annähernd treppenförmig eingestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem das Störlicht-tolerante Lidar- Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 ausgestaltet ist und das ferner den Schritt aufweist, dass die optischen Laufzeiten xref und xstör,m gemäß den Vorgaben in den Ansprüchen 2 und 3 eingestellt werden und die Abtastzeitpunkte der Detektorsignale durch die Auswerteanordnung (9) gemäß den Vorgaben in Anspruch 4 eingestellt werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem das Störlicht- tolerante Lidar-Messsystem nach Anspruch 5 ausgestaltet ist und das ferner den Schritt aufweist, an der Auswerteeinheit (9) das Zeitintervall
Atverschiebung zu verändern, um die Entfernung eines Teilabschnitts (17) des Raumbereichs von dem Lidar-Messsystem zu verändern, wobei der
Teilabschnitt (17) die Partikel enthält, deren rückgestreutes Licht bei der kohärenten Überlagerung des entlang des Messzweiges (4) geführten Lichtes und des entlang des Referenzzweiges (5) geführten Lichtes zur Interferenz beiträgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15 unter Verwendung einer Lidar-Messanordnung, bei dem nach Anspruch 11 ein optischer Wellenleiter zumindest einen Teil des Messabschnitts (16) bildet, wobei die
Reflexionsein richtungen so angepasst sind, dass sie in Abhängigkeit einer auf sie einwirkenden Messgröße ihre Reflektivitat und/oder ihre
Polarisationseigenschaften ändern, oder die zwischen jeweils zwei benachbarten Reflexionseinrichtungen befindlichen Abschnitte des optischen Wellenleiters so angepasst sind, dass sie in Abhängigkeit einer auf sie einwirkenden Messgröße ihren optischen Weg ändern, wobei die Messgröße eine Dehnung des optischen Wellenleiters, eine Schwingung des optischen Wellenleiters und/oder eine Temperatur ist, wobei mit Hilfe der Auswerteeinheit (9) an verschiedenen Reflexionsein richtungen oder verschiedenen Abschnitten zwischen Reflexionseinrichtungen
entsprechenden Orten die Messgröße bestimmt wird oder wobei mit Hilfe der Auswerteeinheit (9) der optische Wellenleiter längenaufgelöst charakterisiert wird.
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